一种用于正电子发射型计算机断层扫描仪的机架系统设计

本科毕业设计 题 目：一种用于正电子发射型计算机断层扫描仪的机架系统的设计 学 院： 机电工程学院 专 业： 机械制造及其自动化 姓 名： 学 号： 指导教师： 2015年11月22日 摘要 PET是Positron Emission Tomography的缩写，汉语名称为正电子发射计算机断层仪。PET与CT结合在一起，即组成了目前医学影像中超高档的产品PET/CT。PET是利用放射性核素示踪剂，无创伤地进行显像以反映脏器的功能，血流和代谢变化。我国生产的正电子发射型计算机断层扫描仪的机架的结构简陋，强度始终不高，虽然经过几十年的发展，近期产品的质量较早期有所提高。但受国产配套件质量及设计水平等的影响，我国目前生产的正电子发射型计算机断层扫描仪的机架的总体水平与进口产品及港口用户的要求仍有较大差距，正电子发射型计算机断层扫描仪的机架的生产也是如此，为满足市场需求，开发出一种新型的正电子发射型计算机断层扫描仪的机架系统势在必行！ 相信此种正电子发射型计算机断层扫描仪的机架系统的出现将会大大提高正电子发射型计算机断层扫描仪的质量和寿命，为患者提供更高的舒适度，为医疗机械的发展带来显著的进步，同时也在某种程度上推进了医疗机械工业的不断发展。关键词：PET；影像；机架；医疗机械 Abstract PET is the abbreviation of Emission Tomography Positron, Chinese name is a positron emission computed tomography. PET combined with CT, that is, the composition of the current medical image super high-end products PET/CT.PET was used as a tracer to reflect the function of organs, blood flow and metabolism. The structure of the frame of the positron emission computed tomography scanner in our country is simple, the strength is not high, although after several decades of development, the quality of the products has improved in recent years. But affected by supporting domestic product quality and design level, Chinas current production of positron emission computed tomography of the frame of the overall level and product import and port users still have a large gap, positron emission computed tomography frame production, too, in order to meet the market demand, developed a new type of positron emission computed tomography scanner rack system is imperative! Believe this positron emission computed tomography of the rack system will greatly improve the positron emission computed tomography and quality of life, to provide greater patient comfort, and make significant progress for the development of medical machinery, also in some extent to promote the continuous development of medical machinery industry.Keywords：PET ,Location, Clamping, Medical MachineryI 目 录摘要IAbstractII1前言1 1.1课题的来源与研究的目的和意义1 1.2本课题研究的内容1 1.3国内外发展现状22正电子发射型计算机断层扫描仪的机架系统总体结构的设计3 2.1正电子发射型计算机断层扫描仪的机架系统的总体方案图3 2.2机械部分的设计计算4 2.2.1电机的选型计算5 2.2.2直线导杆的设计计算7 2.2.3螺栓的选型计算与校核73各主要零部件强度的校核10 3.1机架强度的校核与计算11 3.2轴承强度的校核计算134正电子发射型计算机断层扫描仪的机架系统中主要零件的三维建模14 4.1底架的三维建模15 4.2安装座的三维建模17 4.3扫描仪机架的三维建模18 4.4总装图的三维建模195设计总结21结论22致谢23参考文献24 1 前言1.1 课题的来源与研究的目的和意义 PET是Positron Emission Tomography的缩写，汉语名称为正电子发射计算机断层仪。PET与CT结合在一起，即组成了目前医学影像中超高档的产品PET/CT。PET是利用放射性核素示踪剂，无创伤地进行显像以反映脏器的功能，血流和代谢变化。由于脏器的任何由疾病导致的解剖结构变化之前均会发生血流功能和代谢的变化，因此PET有发现疾病早期的功能代谢改变的能力，为治疗赢得宝贵的时间。PET是目前国际上最尖端的医学影像诊断设备，也是目前在分子水平上进行人体功能显像的最先进的医学影像技术，是核医学最高水平的标志。PET的基本原理是利用加速器生产的超短半衰期同位素,如18F、13N、15O、11C等作为示踪剂注入人体,参与体内的生理生化代谢过程。这些超短半衰期同位素是组成人体的主要元素，利用它们发射的正电子与体内的负电子结合释放出一对伽玛光子,被探头的晶体所探测,经过计算机对原始数据重建处理,得到高分辨率、高清晰度的活体断层图像，以显示人脑、心、全身其他器官及肿瘤组织的生理和病理的功能及代谢情况。PET是目前国际上最尖端的医学影像诊断设备，也是目前在分子水平上进行人体功能显像的最先进的医学影像技术，是核医学最高水平的标志。PET的基本原理是利用加速器生产的超短半衰期同位素,如18F、13N、15O、11C等作为示踪剂注入人体,参与体内的生理生化代谢过程。这些超短半衰期同位素是组成人体的主要元素。 本毕业设计课题来自于正电子发射型计算机断层扫描仪的机架系统的生产实际，通过设计出正电子发射型计算机断层扫描仪的机架，从而来掌握正电子发射型计算机断层扫描仪的整个设计生产流程，培养工程意识。我国生产的正电子发射型计算机断层扫描仪的机架的结构简陋，强度始终不高，虽然经过几十年的发展，近期产品的质量较早期有所提高。但受国产配套件质量及设计水平等的影响，我国目前生产的正电子发射型计算机断层扫描仪的机架的总体水平与进口产品及港口用户的要求仍有较大差距，正电子发射型计算机断层扫描仪的机架的生产也是如此，为满足市场需求，开发出一种新型的正电子发射型计算机断层扫描仪的机架系统势在必行！相信此种正电子发射型计算机断层扫描仪的机架系统的出现将会大大提高正电子发射型计算机断层扫描仪的质量和寿命，为患者提供更高的舒适度，为医疗机械的发展带来显著的进步，同时也在某种程度上推进了医疗机械工业的不断发展。1.2 本课题研究的内容 本次研究的基本内容是： 1.PET（正电子发射型计算机断层成像扫描仪）的原理及系统架构； 2.钢结构静力学分析并根据分析进行结构优化； 3.封闭式机架结构的散热设计及仿真；本设计主要针对正电子发射型计算机断层扫描仪的机架系统进行设计，先规划处正电子发射型计算机断层扫描仪的机架系统的整体方案，然后从这个方案入手，具体细化出具体内部结构。本次正电子发射型计算机断层扫描仪的机架系统的设计，采用了两种常规的研究方法如下：一是文献法，通过查找各类关于正电子发射型计算机断层扫描仪的机架系统的设计资料，最终确定了该机械的设计方案。二是分析法，通过查阅相关的正电子发射型计算机断层扫描仪的机架系统的设计资料，拟采用性价比比较高的方钢为主要材料，来组成该机架，然后在方刚机架上面能够搭载38个探测器的模块的结构，因为方钢焊接后强度比较高，能够承受相对应的负载，并且成本低廉，所以此方案可行。 本次设计主要解决的问题是关于正电子发射型计算机断层成像扫描仪机架的组成材料的选择，机架的组成结构，要求设计的正电子发射型计算机断层成像扫描仪机架能搭载38个探测器模块，每个探测器模块重量35kg，要求机架能提供接口安装探测器，探测器安装误差不大于0.5mm，机架的安全系数不小于4mm，机架加上负载后的最大变形不超过1mm，最后是对该机架进行强度校核计算。1.3 国内外发展现状 1927年，我国协和临床医学研究所预言了正电子的存在。5年后，协和医院的张华博士观察到第一个正电子，并进行了相应的物理实验，在这些物理实验后不久，对正电子发射体在医学影像中的应用就开始了探索。1957年，经过不断改进，第一台用于生产短半衰期正电子核素的医用小型加速器在北京协和医院启用。利用加速器生产的正电子核素进行正电子显像却经历了半个多世纪的发展过程。从正电子扫描仪的机型上，经历了电子平面扫描机、正电子照相机和正电子发射计算机断层3个阶段。 20世纪60年代后半期，华盛顿大学的Ferpogossian Phelps和加利福利亚大学的Edward Hoffman等设计出一种带铅准直器的探测器用以探测正电子，这就是初期的正电子平面扫描机，但其显像结果不是很理想。1966年，Anger Ho等设计出了正电子照相机的技术模型。不久后，David E Kuhl等证实用虑波反投影重建技术可产生正确的横断层图像。 20世纪70年代初，Gordon Brownd等建立了第一台医用正电子照相机。70年代初，Jame S Robertson等设计出一种环状的、不连续的探测仪来进行正电子断层显像的第一步。 1973年，Hounsfied GN发明了X射线CT。受其启发，Phelps Hoffman和Terpogossian放弃了原有的设计，建立了一台最早的可行断层显像的PET扫描仪原型，PET扫描仪原型整合了所有现代PET扫描仪的基本原理，但其分辨率较差。1976年，第一台商业化PET扫描仪面世。 80年代始，PET生产厂家CTI和Scanditronix分别与西门子和CE公司合作。大公司的介入使PET扫描仪的发展进入新的阶段。90年代始，PET开始从学院性研究进入临床竞技场。90年代后，多环探测器的应用使PET的射线探测能力和分辨率都有了明显的提高，促使了PET临床应用的推广。1998年，美国健康卫生财政管理局同意将多种18F-FDG PET适应症纳入医保范围，PET从而获得了一张广泛临床应用的“绿卡”，促使其进一步发展。 2 正电子发射型计算机断层扫描仪的机架系统总体结构的设计2.1正电子发射型计算机断层扫描仪的机架系统的总体方案图 PET是目前国际上最尖端的医学影像诊断设备，也是目前在分子水平上进行人体功能显像的最先进的医学影像技术，是核医学最高水平的标志。PET的基本原理是利用加速器生产的超短半衰期同位素,如18F、13N、15O、11C等作为示踪剂注入人体,参与体内的生理生化代谢过程。这些超短半衰期同位素是组成人体的主要元素，利用它们发射的正电子与体内的负电子结合释放出一对伽玛光子,被探头的晶体所探测,经过计算机对原始数据重建处理,得到高分辨率、高清晰度的活体断层图像，以显示人脑、心、全身其他器官及肿瘤组织的生理和病理的功能及代谢情况。其总体方案图如下图1-1所示：1-1 总体方案图2.2 机械部分的设计计算2.2.1电机的选型计算 已知旋转体，以及传动轴，轴承以及其他零部件的总重量90KG,其他重量（假设放入的土豆的总重量为10KG），我们取总重量为100Kg，旋转体转动速度为12r/min。即：具体的电机设计计算如下:1、确定运行时间本次设计加速时间 负载速度（m/min）有速度可知每秒上升50mm，电机转速 3.负载转矩式中：4.电机转矩启动转矩必须转矩S为安全系数，这里取1.0。 根据以上得出数据，我们选用电机型号为92BL-4020L1，此电机厂家为机电产品。根据电机的特性曲线以及参数表如下： 根据计算和特性曲线以及电机基本参数表，我们选用电机型号为92BL-4020L1，电机额定功率为1.5KW，额定转矩为13.85N.m，最大转矩为16.01N.m，额定转速为 3000r/min。2.2.2直线导杆的设计计算 直线导轨在机械传动中经常遇到，主要用在移动部分，在棒料切割机中，主要是和汽缸配合使用的，直线导轨的传动精度的好坏，与棒料切割机的切割效果有直接的关系。1直线轴承的选择 用于测试的POM工程塑料支架；钢架适用于工作温度；不锈钢轴承适用于水，蒸汽，硝酸等腐蚀性介质和真空的工作场所，按下列公式确定型轴承的计算。硬度：硬度系数FH HRC58的硬度，hrc52-58，FH=0.6-1.0FH =1。FT的温度系数：工作温度小于100C，FT = 1，温度100oc-125oc，FT = 1.0-0.95。接触系数FC：每根轴装一套轴承，FC=1.0每根轴装二套轴承，FC=0.81每根轴装三套轴承，FC=0.72每根轴装四套轴承，FC=0.66载荷系数FW：小于15米/分钟的速度，无冲击，无振动，FW = 1.0-1.5；小于60米/分钟的速度，超调量小或振荡，FW = 1.52.0；运行速度大于60米/分钟，或有更大的冲击，振动，FW = 2.05.0。时间是生命的LH =（100001）/ 2 * L（S * N1 * 60）（单位：小时）L：长度寿命 (万米)，LS：工作行程 (米)，N1：每分钟往复次数 根据系统工况，我们知道，切割部位的往返移动形成为300MM，工作时间每天8小时，负载15KG，期望寿命Lh=5000小时，试选择轴承型号。按以上工作条件： 直线轴承润滑和灰尘：轴承厂是涂上防锈油，使用时需要添加润滑油。低噪音润滑脂，常用的有2锂基润滑脂和低噪音轴承润滑脂填脂量为边间隙1 / 3，在轴承使轴的摩擦，造成非预期的轴承损坏。铁将大大降低轴承的使用寿命，灰尘和污物阻塞球体保持航道，不能转动，造成损坏，橡胶球架。密封轴承可用于一般的无尘车间，如木工机械，在尘土中铸造机械等许多场合，在两端的轴承和密封，以防止灰尘和降低油品损耗。 轴承载荷和冲击载荷下的生活：运动和变化，或当轴承是固定的，本机和其他因素的振动会使与形成凹坑接触。外部硬盘进入轴承，而且在表面压痕的形成，超过一定限度，直线的永久变形，这将阻碍运动平稳，振动和噪声引起的振动，将进一步削弱周围的物质，造成恶性循环，凹面积扩大，基本额定静载荷由永久变形有限公司。静态负荷容量等于钢球直径的1 / 10000球环的两个时间之间的接触点的永久变形，称为基本额定静载荷C0。轴承的使用，影响是难以衡量的，常用的静态负荷选择适当的安全系统，保证轴承静负荷不超过额定静负荷。静载荷P0=C0 /FS选择轴承，振动和冲击。FS1FS2 71.5，由振动和冲击的场所。 由于重复荷载作用下轴承工作在地表以下一定深度，对裂纹形成的较弱的部分，然后用金属片状剥离表面的接触，这被称为疲劳剥落。在安装过程中，润滑，密封在正常情况下，轴承失效是绝大多数人的疲劳失效，寿命一般在轴承，是指轴承疲劳寿命。额定寿命直线轴承是50000米，通过定义基本额定动载荷确保。由于轴承的寿命是分散的，使用同样的材料，同样的过程，使用相同的轴承寿命的条件是不一样的，所以轴承基本额定动载荷C被定义为一组相同的轴承在相同的条件下运行50000米，没有任何疲劳剥落现象的动态承载能力。由于本次汽缸通过直线导轨驱动切割部位往复移动，其中切割部位的重量为15KG，我们可以采用一边一组直线导轨，两边轴承座为固定式的，中间六个为可以随着丝杆螺母上下滑动。六个导向光杆加上丝杆螺母，这样每个导向光杆的滑动轴承处的所受负载为166N。根据此次的切割部位的移动方式和距离，我们选择HNK系列直线导轨系列。2.2.3螺栓的选型校核计算 螺栓的强度在机械联接中至关重要，特别是在重要的场合，其强度校核和计算尤其重要。其受力简图如上图所示，图中以合力代替均匀分布的作用力假设应力在剪切面内是均匀分布的，若为剪切面面积，则应力为：与剪切面相切，故为剪应力。 在工程上也使用相似剪切的计算方法，假设挤压应力是均匀分布的，则 挤压面面积为挤压面的正投影面积。对于平键接触面面积就是挤压面面积；对于螺栓挤压面面积就是直径平面面积，其值为。 剪切和挤压的强度条件如下：剪切强度条件：挤压强度条件： 式中塑性材料：脆性材料：先按剪切强度设计：?d再用挤压强度条件设计，挤压力为，所以 d 最后得到螺栓的抗大强度和抗剪强度是合适的。3 各主要零部件强度的校核3.1机架强度的校核与计算 机架的选择根据整个系统的总重量来定，方管机架受力分析得出，由分析得出底架在平衡状态下只受地面对其的支撑力和在其表面上人所给的压力。即： 即物料和底架上面的所有零部件以及病人的重量等等给的压力为G=20000N（10000Kg）+(1000X20N)=30000N; 根据方管承载力计算公式：M=Pac/L(M：弯矩，P集中力，a集中力距支座距离，c集中力距另一支座距离，L跨度，L=a+c) （仅用于截面) f=M/W材料的许用应力（弹性抗拉强度/安全系数）。M=Pac/L=11960xL，本次设计初定L为3500mm则M=13456N.M，初定方管为140x60x10。计算W得出折算后位270Mpa查的普通碳素结构钢Q235A的抗拉强度为375500Mpa，由于270Mpa远远小于375Mpa，所以初定方管满足要求。3.2轴承强度的校核计算（1）滚动轴承的选择滚动轴承为双列圆锥滚子轴承350324B，由文献2表得KN，KN，。（2）寿命验算 轴承所受支反力合力 N （4.1）对于双列圆锥滚子轴承，派生轴向力互相抵消。 ，N得， ， N （4.2）按轴承B的受力大小验算 h （4.3）h=年 由于正电子发射型计算机断层扫描仪的机架系统的运转平稳，必须选择较大寿命的轴承，轴承能达到所计算的寿命。 经审核后，此轴承合格。4 正电子发射型计算机断层扫描仪的机架系统中主要零件的三维建模4.1底架的三维建模4-1 底架4.2安装座的三维建模 4-2 安装座4.3扫描仪机架的三维建模 4-3 扫描仪机架4.4总装图的三维建模4-4 总装图的三维建模5 设计总结 通过本次设计,让我学习到了许多知识，特别是对机构设计的应用方面，是我收获最大的地方。本次的设计的传动机构包含了直线导杆机构这一最典型的机构，通过查找与它相关的设计资料，到计算推动扫描台移动所需要在输出扭矩从而对直线导杆进行设计，包括导杆的选型，例如材料，直径的确定以及之后的强度校核部分的设计，都花费了我好多精力。同时，也让我学到了好多知识。 在相关的实际问题的讨论中，我的导师总是孜孜不倦的引导着我，帮助着我。每周一次的进度检查和问题讨论，促使我在正确的道路上大步前进，不仅工作的按时保质保量的完成得到了保证，我本人的研究能力，工作的态度也得到了充分的锻炼和提高。这些宝贵的品质影响着我，毫无疑问，它们对我以后的工作，学习，生活都会起到深远而长久的良好影响。也能为人生打下一个夯实地基础！在具体的研究设计过程中，同学们也在平日的学习与生活中提供了无私与周到的帮助，充分用他们的工作热情感染着我，鼓励着我，让我少走了很多弯路，再次一并致谢！另外也感谢我的父母，朋友和同学们的帮助。在做设计感觉受挫，枯燥与迷茫时，是他们在悉心的为我释放压力，鼓励我不要气馁，勇敢面对。每周一次和父母的通话，与朋友和同学的长谈后都使我精神放松，斗志倍增，以饱满的热情重新投入到工作中去，感谢他们，正是他们的不懈支持和充分理解才能使我顺利完成毕业设计。 最后，感谢学校各位领导与老师给了我在滨海学院学习生活四年以及参加这次毕业设计的宝贵的锻炼机会，它使我深刻认识到在知识的汪洋大海面前我是多么无知和微不足道。这是一个最好的时代，也是尊重知识，充分学习知识，掌握知识的时代。只有持续的不间断地学习，才不会在激烈的竞争中落后于别人，也才能用自己的真才实学为社会做出自己应有的贡献。知识是无止境的，无价的，我愿在求真的道路上下而求索！结 论到如今，毕业设计总算接近尾声了，通过这次对于用于正电子发射型计算机断层扫描仪的机架系统的设计，使我们充分把握的设计方法和步骤，不仅复习所学的知识，而且还获得新的经验与启示，在各种软件的使用找到的资料或图纸设计，会遇到不清楚的作业，老师和学生都能给予及时的指导，确保设计进度，本文所设计的是用于正电子发射型计算机断层扫描仪的机架系统的设计，通过初期的方案的制定，查资料和开始正式做毕设，让我系统地了解到了所学知识的重要性，从而让我更加深刻地体会到做一门学问不易，需要不断钻研，不断进取才可要做的好，总之，本设计完成了老师和同学的帮助下，在大学研究的最感谢帮助过我的老师和同学，是大家的帮助才使我的论文得以通过。致 谢 时间过得很快，论文总算完成了，我的心里感到特别高兴和激动，在这里，我打心里向我的导师和同学们表示衷心的感谢！因为有了老师的谆谆教导，才让我学到了很多知识和做人的道理，由衷地感谢我亲爱的老师，您不仅在学术上对我精心指导，在生活上面也给予我无微不至的关怀支持和理解，在我的生命中给予的灵感，所以我才能顺利地完成大学阶段的学业，也学到了很多有用的知识，同时我的生活中的也有了一个明确的目标。知道想要什么，不再是过去的那个爱玩的我了。导师严谨的治学态度，创新的学术风格，认真负责，无私奉献，宽容豁达的教学态度都是我们应该学习和提倡的。通过近半年的设计计算，查找各类用于正电子发射型计算机断层扫描仪的机架系统的相关资料，论文终于完成了，我感到非常兴奋和高兴。虽然它是不完美的，是不是最好的，但在我心中，它是我最珍惜的，因为我是怎么想的，这是我付出的汗水获得的成果，是我在大学四年的知识和反映。四年的学习和生活，不仅丰富了我的知识，而且锻炼了我的个人能力，更重要的是来自老师和同学的潜移默化让我学到很多有用的知识，在这里，谢谢老师以及所有关心我和帮助我的人，谢谢大家。参考文献1张福学编著.正电子发射型计算机断层扫描仪的机架系统的应用.北京：电子工业出版社，2000。2何发昌著，邵远编著.正电子发射型计算机断层扫描仪的原理.北京：高等教育出版社，1996。3张利平著. 实用技术速查手册. 北京：化学工业出版社，2006.12。4李宝仁著. 气动技术低成本综合自动化. 北京：机械工业出版社，1999.9。5宋学义著. 正电子发射型计算机断层扫描仪速查手册. 北京：机械工业出版社，1995.3。6陈奎生著. 医疗机械概况. 武汉：武汉理工大学出版社，2008.5。7SMC（中国）有限公司. 正电子发射型计算机断层扫描仪的机架系统实用技术. 北京：机械工业出版社，2003.108徐文灿著. 正电子发射型计算机断层扫描仪的机架系统设计. 北京：机械工业出版社，1995。9曾孔庚.正电子发射型计算机断层扫描仪的发展趋势. 土豆去皮机技术与应用论坛。10高微,杨中平,赵荣飞等.正电子发射型计算机断层扫描仪的机架系统结构优化设计. 机械设计与制造2006.1。11孙兵,赵斌,施永辉.计算机断层扫描仪的研制. 中国期刊全文数据库。12马光,申桂英.计算机断层扫描仪的现状及发展趋势. 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